3.1. Принципи одержання синусоїдальних ЕРС

Принцип роботи генератора змінного струму. Для виникнення в замкненому колі синусоїдального струму на його затискачах необхідна наявність синусоїдальної ЕРС. Синусоїдальна ЕРС одержується за допомогою електричного генератора змінного струму – приладу, що перетворює механічну енергію в електричну енергію змінного струму. Одержання синусоїдальних ЕРС ґрунтується на явищі електромагнітної індукції.

Розглянемо принцип роботи генератора змінного струму (рис. 3.1).

Рис. 3.1 – Принцип роботи генератора змінного струму

Однорідне магнітне поле створюється двома полюсами (башмаками) електромагніту. У полі під дією зовнішньої механічної сили виток проводу довжиною ℓ обертається по окружності проти годинникової стрілки зі швидкістю ν. За законом електромагнітної індукції в провіднику індукується ЕРС:

, [В].

Магнітне поле у повітряному зазорі генератора має вигляд, приведений на рис. 3.2.

Рис. 3.2 – Магнітне поле генератора змінного струму

Магнітна індукція B у певній точці траєкторії обертання витка проводу визначається за формулою:

, [Тл],

де Bm – максимальне значення магнітної індукції під серединою башмака, [Тл]; α – кут, утворений нейтральною площиною 00’ і площиною, що проходить через виток із проводом. Тоді

.

Оскільки виток провідника фактично складається з двох провідників, то

,

де  е – миттєве значення ЕРС, [В]; Еm – максимальне значення ЕРС, [В];  – фаза.

Якщо замість одного витка на циліндрі (який називається "ротор") помістити котушку, що має w витків, то максимальна ЕРС буде:

.

Якщо генератор має р пар полюсів, то

,

тобто частота індукованої ЕРС:

,                                                 (3.2)

де        n – число обертів ротора у хвилину, [] .

Розглянемо роботу генератора аналітично:

– положення "1" – виток перпендикулярний магнітним силовим лініям, ЕРС дорівнює нулю;

– положення "2" – між площиною витка і магнітними силовими лініями з’явився кут α, ЕРС зростає і спрямована на нас (за правилом "правої руки");

– положення "3" – виток паралельний магнітним силовим лініям, ЕРС максимальна і спрямована на нас;

– положення "4" – ЕРС дорівнює нулю;

– положення "5" – ЕРС максимальна і за правилом "правої руки" спрямована від нас.

Перетворення енергії в генераторі змінного струму. За законом електромагнітної індукції

.

За законом електромагнітних сил (формула Ампера):

.

Тоді    

                                                           (3.3) 

рівняння, що описує перетворення механічної енергії () в електричну ().

При роботі генератора повна механічна потужність , одержана від первинного двигуна, перетворюється в корисну електричну потужність  та потужність втрат  (де U – напруга на затискачах генератора, І – сила струму в колі генератора, r0 – внутрішній опір обмоток генератора).

Баланс потужностей

.                                              (3.4)

Витрати енергії на нагрівання обмоток можуть становити значну величину і містити у собі пожежну небезпеку.